安科瑞對于物聯網云平臺的分布式光伏監控系統的設計與實現

摘   要：針對國內光伏發電監控系統的研究現狀，文中提出了基于云平臺的光伏發電監控體系。構建基于B/S架構的數據實時采集與推送，以SSH(struts+spring+hibernate)作為Web開發框架，開發基于云平臺的光伏發電遠程監控系統。在平臺部署過程中，通過合理設計SQLServer數據庫，結合本地數據庫和云端數據庫，實現數據的云端存儲、計算和調用。通過設計人機交互界面，將數據通過報表等多種可視化方式展現出來。實際系統的測試應用說明文中設計的監控系統能夠實現多個光伏電站系統的綜合管理，提高光伏電站遠程監控的質量和效率。

關鍵詞：光伏發電；分布式光伏遠程監控；物聯網；光伏發電運維；云平臺

0、引言

      隨著分布式光伏電站的大量接入，光伏電站的管理越來越困難。針對大規模光伏電站并網接入的監控問題，國內外學者與企業開展了大量的研究，也取得了相應的成果和開發相關的產品。近年來，云計算技術逐漸興起，其應用模式和傳統幾種模式不同，具有共享池化的資源、自助服務按需付費等特點，通過管理中間件系統進行資源的整合，提升效率。本文基于B/S架構的數據實時采集與推送，以SSH為Web框架，開發了基于云平臺的光伏發電遠程監控系統。為解決光伏站點分布不均、發電站監控數據量大等實際問題，通過云計算技術在云端實現對多種類、多站點的電流、電壓等數據進行實時監控與分析，確保系統運行的穩定性。通過合理設計SQLServer數據庫，結合本地數據庫和云端數據庫，實現數據的云端存儲、計算和調用，提高計算的實時性。利用友好的人機界面，將數據通過報表等多種可視化方式展現，提高系統可用性和操作方便性。

1、光伏發電系統

      光伏發電系統是一種利用光伏電池元件將太陽能轉化為電能的裝置。太陽能電池板是光伏發電系統中的核心部分，它能將太陽能轉換為電能，同時利用串聯和并聯的形式提高光伏發電系統的并網電壓和并網容量以達到并網的條件。由于光伏發電系統的波動性和間歇性，為保證光伏發電系統的穩定輸出，光伏電站都配置一定容量的儲能裝置，以提高光伏電站輸出的平穩性。因此，在實際光伏電站系統中需配置控制器對蓄電池的充放電情況進行控制以保證儲能保障蓄電池的正常使用。光伏發電系統結構如圖1所示。

      光伏發電系統的主要由光伏陣列、蓄電池、控制器和逆變器組成。

1.1電池陣列

      光伏發電系統的核心組成部分是光伏電池，當系統需要較大的輸出功率時，通常采用對光伏電池進行并聯和串聯形成光伏陣列。目前業界常用的電池主體由硅電池組成，根據硅晶體的不同排列可分為三種不同型號。

1.2逆變器

      由于光伏電池輸出的是直流電，而目前我國以交流電網為主，因此，光伏電站需要將直流電轉化為交流電以實現并網。逆變器是實現光伏電站并網的重要裝置，逆變器效率直接影響光伏電站以及儲能蓄電池的效率，因此，逆變器的運行狀態需要實時監控。

1.3蓄電池組

      光伏電站需要配備一定容量的儲能系統，以提高光伏系統輸出的穩定性。儲能一般采用蓄電池組，其能夠將光伏陣列產生的多余電能進行存儲，同時也可以向所接負載供應電能。蓄電池是光伏系統并網控制的重要環節，對光伏發電系統整體輸出起到削峰填谷的作用，因此，監控系統須對儲能蓄電池組進行實時監控。

1.4充放電控制器

      利用儲能放電控制器可以保護蓄電池組，避免由于過度充放電導致的電池壽命縮短。另外，合理的充放電控制可以大大提高光伏系統輸出的穩定性。在光伏監控系統中，充放電控制器的運行參數需要實時采集并監控。

1.5交流配電柜

      光伏電站并網需要通過交流配電柜來完成并網，交流配電柜不僅可以實現對備用逆變器的轉化功能，確保系統能夠正常運行，還可以對線路傳輸的電能進行監控。在光伏監控系統中，交流配電柜的實時數據需要及時采集并傳輸。

2、云計算平臺架構

      云計算的定義較為寬泛，云計算是基于互聯網的計算模式，提供基于網絡的分布式存儲、計算和展示，網絡訪問具有可行、便捷、按需的特點。當系統接收訪問，進入計算資源共享池，即可迅速響應，為用戶提供服務器、網絡、存儲、服務、應用軟件等資源，在用戶和服務供應商間僅需做少量交互從而大大減少管理的工作量。這也是云計算的主要的優點所在。云計算系統的后臺擁有特殊的網絡拓撲結構，該拓撲結構對數目龐大的服務器進行合理組織，保證云計算穩定運行。本系統采用微軟WindowsAzurePlatform云計算平臺，提供基于微軟數據隨用隨付費的靈活服務模式。該云計算平臺有一下特點：微軟云中的應用開發不需企業自身進行部署和維護，也無需關注底層的結構。在微軟云中，可以使用Windows和Linux兩種虛擬機，同時也支持開源工具(PHP、Node．js等)。因此，用戶只需按自己的實際需求，靈活地部署虛擬機和調用存儲空間，大大減少程序的調試時間，增加程序的開發速度。面對客戶日益增長的需求，本系統還可以根據業務的變化向外擴展，提供更多的資源。云計算的使用大大降低了硬件的購買和維護費用，并且可以與本地的IT設施協同使用，使得用戶能夠整合式地體驗從本地到云端的管理、虛擬化、存儲和開發的過程，云平臺架構如圖2所示。

3、監控系統設計

3.1光伏發電監控系統總體結構

      為了使系統具有全局性以及能夠實現遠程操作功能，將對發電站中的所有在線監控測量設備，統一采集、分析和管理。根據數據類型與應用特性對電站運行中獲取得到的監測數據進行分門別類地存儲，各層面的工作人員各司其職，只關注與自己相對應的存儲信息。另外，各個層級的數據能夠從上到下進行追溯查詢。

      本文設計一種采用WindowsAzure和Web相結合的新型光伏發電監控系統。主要特點有：①應用層采用友好的用戶界面，讓不同客戶都可以快捷方面的操作本系統；②采用B/S體系結構，充分利用B/S的優點，減少用戶的工作量，可以隨時進行操作；③利用SSH集成開發框架，從表示層、業務邏輯層、數據層和與模塊層將系統各層分離，便于開發人員開發和后期維護；④利用云計算的存儲和較強的計算能力，將系統部署到WindowsAzure中，減少設備的花費和維護的費用；⑤使用前端ECharts插件將數據進行圖形化處理，對某一時間段同類數據或不同類數據進行對比分析，分析光伏電站的運行情況。

      系統分為四層：應用層、服務層、設備驅動層、數據層，不同層處理不同數據，各層彼此結合形成面向用戶的系統功能。用戶與系統的交互主要在應用層進行，用戶的需求在應用層都會直觀的形式展示，用戶操作指令和信息會錄入到應用層，再將這些信息交由服務層處理。整個業務的信息數據處理、運算和控制是在服務層進行。與設備間的通訊由驅動層完成，并獲取設備的數據并進行轉換格式的操作，保證系統能夠正常識別。客戶端現場設備的信息通信是雙向的，即將信息以設備能夠辨識的格式發送給設備，保證系統能夠正常向下層設備傳遞信息，如圖3所示。

3.2光伏發電監控系統模塊

      本監控系統對采集到的各類電站數據進行分析，系統模塊主要包括數據采集模塊、數據通信模塊、數據庫和監控終端四個模塊。

3.2.1數據采集模塊

      數據采集模塊采集光伏電站實時運行數據，光伏電站運行過程中涉及各類數據，包括：光伏陣列、逆變器、環境監測儀、計量器等。另外，除了設備本身直接獲取的基礎數據外，還有部分數據需要通過基本數據衍生計算。數據采集模塊結構如圖4所示。

3.2.2數據通信模塊

      在現場監控中，采集數據信息需要穩定的上傳至上位機以及服務器，因此，通信不僅需要完成數據傳送的基本功能，還需要保證所傳送數據的準確性和實時性。本系統采用ＲS－485串行通信標準和Modbus通信協議，該協議規定了主機與從機之間通信的規則，獨立于物理層，配合ＲS－485總線標準，實現數據穩定可靠的傳輸。

3.2.3數據庫模塊

      數據庫負責前端界面對數據的調用和后臺數據的存儲，光伏發電監控系統需要監測的數據結構多樣，數據庫的設計和數據模型結構關系到數據的完整性和可維護性。本系統采用SQLServer關系型數據庫，實現對系統結構數據和非結構數據的記錄、篩選、編輯、刪除、排序和分組統計等功能。云端SQLAzure數據庫與SQLServer數據庫使用SQLServerExpress工具實現同步管理。同時，在系統中利用Hibernate框架將數據層和業務邏輯層分離，減少程度代碼的復雜度。

3.2.4監控終端

      現場監控主要由數據采集模塊、上位機、數據傳輸通道、數據庫構成。光伏組件上裝有各類的傳感器，電壓、電流等數據通過傳感器送到數據集中模塊，經信號調節電路濾波處理后將數據進行歸類分析，現場通過ＲS－485接口實現數據的傳輸和存儲。現場監控顯示各種元器件數據、發電量、報警、報表等信息。同時，也可以通過命令實現對模塊的控制，比如：模塊參數、分合閘信息等。現場監控結構如圖5所示。

      現場數據監控終端可以向工作人員提供電站的實時數據信息和歷史數據信息，展示電站的運行狀態，終端監控功能如圖6所示。

      本地數據通過上位機接收存儲到數據庫，利用Eclipse平臺配置和部署云環境，將本地數據庫轉移至云存儲中，實現云端數據庫和前臺界面的數據交互，用戶可以在瀏覽器上方便地查詢各地站點的信息。遠程B/S服務體系結構圖7所示。

4、系統實現

4.1登錄模塊

      登錄模塊是系統的門戶，本系統界面設置有新用戶登錄、注冊、賬號身份等功能。為了實現前端頁面和后端的數據交互，需要下載和配置Struts2文件。登錄模塊接收用戶登陸信號，利用判斷機制，確認登錄，同時使用攔截器對賬號進行攔截，主界面包含電站運行概況信息及其他功能選項。

4.2管理員模塊

      管理員利用權限設置不僅可以對自身信息進行修改，對用戶資料進行管理、修改，還可發送系統通告。當公司或電站有重大事情或通知時，逐一通知是不可行的，管理人員可以上傳公告、修改公告和刪除公告，而普通用戶可以瀏覽和下載公告。工作人員是該系統的主要對象，主要負責光伏電站平臺的運行和維護，需要及時監察電站的基本設備狀態信息、告警系統、實時數據、故障信息數據、檢測數據和警報信息。

4.3監控功能模塊

      本系統的數據監控功能主要分為兩大類：實時數據監控和歷史數據監控。實時數據監控主要展現出電站實時運行數據信息，用戶可以按照自身需求對電站相關信息進行訪問。實時數據由采集設備得到并寫入到數據庫中，當用戶發送實時數據請求時再對相關數據進行調用。歷史數據監控是指系統可以調用歷史云端數據，進行歷史數據分析。設備信息表查詢主要顯示子系統并網電站設備的信息，顯示站內直流柜、逆變器、高壓柜等設備信息運行信息，其界面如圖8所示。

      另外，系統具有強大的數據圖形化功能，從數據庫中提取出功率數據，由相關的圖形設備接口和Java插件對數據進行處理。比如：將功率信息處理后生成功率曲線圖，觀察和分析并網發電所輸出的功率隨時間變化的趨勢。該功能不僅可查詢當天的數據，也可以查詢歷史數據，用戶可根據日歷表來選擇想要查詢的時間和站點，如圖9所示。

      圖10為2016年8月的月發電功率柱狀圖，以天為單位統計月功率輸出情況。通過月功率曲線進行光伏發電系統日、月、年的功率對比分析，以提高系統的分析和顯示能力。總站信息匯集了所有接入子系統的數據并提供進入分站信息的接口，其顯示如圖11所示。

      報警查詢主要以表格的形式顯示報警時間、位置、是否解決、故障等信息，可以分別按報警信息和報警狀態查詢。針對設備的電流過大或發電功率驟然下降等情況，給出報警提示。

5、安科瑞分布式光伏運維云平臺介紹

5.1概述

      AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺通過監測光伏站點的逆變器設備，氣象設備以及攝像頭設備、幫助用戶管理分散在各地的光伏站點。主要功能包括：站點監測，逆變器監測，發電統計，逆變器一次圖，操作日志，告警信息，環境監測，設備檔案，運維管理，角色管理。用戶可通過WEB端以及APP端訪問平臺，及時掌握光伏發電效率和發電收益。

5.2應用場所

      目前我國的兩種分布式應用場景分別是：廣大農村屋頂的戶用光伏和工商業企業屋頂光伏，這兩類分布式光伏電站今年都發展迅速。

5.3系統結構

      在光伏變電站安裝逆變器、以及多功能電力計量儀表，通過網關將采集的數據上傳至服務器，并將數據進行集中存儲管理。用戶可以通過PC訪問平臺，及時獲取分布式光伏電站的運行情況以及各逆變器運行狀況。平臺整體結構如圖所示。

5.4系統功能

      AcrelCloud-1200分布式光伏運維云平臺軟件采用B/S架構，任何具備權限的用戶都可以通過WEB瀏覽器根據權限范圍監視分布在區域內各建筑的光伏電站的運行狀態（如電站地理分布、電站信息、逆變器狀態、發電功率曲線、是否并網、當前發電量、總發電量等信息）。

5.4.1光伏發電

5.4.1.1綜合看板

●顯示所有光伏電站的數量，裝機容量，實時發電功率。

●累計日、月、年發電量及發電收益。

●累計社會效益。

●柱狀圖展示月發電量

5.4.1.2電站狀態

●電站狀態展示當前光伏電站發電功率，補貼電價，峰值功率等基本參數。

●統計當前光伏電站的日、月、年發電量及發電收益。

●攝像頭實時監測現場環境，并且接入輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●顯示當前光伏電站逆變器接入數量及基本參數。

5.4.1.3逆變器狀態

●逆變器基本參數顯示。

●日、月、年發電量及發電收益顯示。

●通過曲線圖顯示逆變器功率、環境輻照度曲線。

●直流側電壓電流查詢。

●交流電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數查詢。

5.4.1.4電站發電統計

●展示所選電站的時、日、月、年發電量統計報表。

5.4.1.5逆變器發電統計

●展示所選逆變器的時、日、月、年發電量統計報表

5.4.1.6配電圖

●實時展示逆變器交、直流側的數據。

●展示當前逆變器接入組件數量。

●展示當前輻照度、溫濕度、風速等環境參數。

●展示逆變器型號及廠商。

5.4.1.7逆變器曲線分析

●展示交、直流側電壓、功率、輻照度、溫度曲線。

5.4.2事件記錄

●操作日志：用戶登錄情況查詢。

●短信日志：查詢短信推送時間、內容、發送結果、回復等。

●平臺運行日志：查看儀表、網關離線狀況。

●報警信息：將報警分進行分級處理，記錄報警內容，發生時間以及確認狀態。

5.4.3運行環境

●視頻監控：通過安裝在現場的視頻攝像頭，可以實時監視光伏站運行情況。對于有硬件條件的攝像頭，還支持錄像回放以及云臺控制功能。

5.5系統硬件配置

5.5.1交流220V并網

      交流220V并網的光伏發電系統多用于居民屋頂光伏發電，裝機功率在8kW左右。

      部分小型光伏電站為自發自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能。光伏電站規模較小，而且比較分散，對于光伏電站的管理者來說，通過云平臺來管理此類光伏電站非常有必要，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

5.5.2交流380V并網

      根據電網Q/GDW1480-2015《分布式電源接入電網技術規定》，8kW~400kW可380V并網，超出400kW的光伏電站視情況也可以采用多點380V并網，以當地電力部門的審批意見為準。這類分布式光伏多為工商業企業屋頂光伏，自發自用，余電上網。分布式光伏接入配電網前，應明確計量點，計量點設置除應考慮產權分界點外，還應考慮分布式電源出口與用戶自用電線路處。每個計量點均應裝設雙向電能計量裝置，其設備配置和技術要求符合DL/T448的相關規定，以及相關標準、規程要求。電能表采用智能電能表，技術性能應滿足電網公司關于智能電能表的相關標準。用于結算和考核的分布式電源計量裝置，應安裝采集設備，接入用電信息采集系統，實現用電信息的遠程自動采集。

        光伏陣列接入組串式光伏逆變器，或者通過匯流箱接入逆變器，然后接入企業380V電網，實現自發自用，余電上網。在380V并網點前需要安裝計量電表用于計量光伏發電量，同時在企業電網和公共電網連接處也需要安裝雙向計量電表，用于計量企業上網電量，數據均應上傳供電部門用電信息采集系統，用于光伏發電補貼和上網電量結算。

      部分光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監測裝置。部分光伏電站為自發自用，余電不上網模式，這種類型的光伏電站需要安裝防逆流保護裝置，避免往電網輸送電能，系統圖如下。

      這種并網模式單體光伏電站規模適中，可通過云平臺采用光伏發電數據和儲能系統運行數據，安科瑞在這類光伏電站提供的解決方案包括以下方面：

5.5.310kV或35kV并網

      根據《能源局關于2019年風電、光伏發電項目建設有關事項通知》（國發新能〔2019〕49號），對于需要補貼的新建工商業分布式光伏發電項目，需要滿足單點并網裝機容量小于6兆瓦且為非戶用的要求，支持在符合電網運行技術要求的前提下，通過內部多點接入配電系統。

      此類分布式光伏裝機容量一般比較大，需要通過升壓變壓器升壓后接入電網。由于裝機容量較大，可能對公共電網造成比較大的干擾，因此供電部門對于此規模的分布式光伏電站穩控系統、電能質量以及和調度的通信要求都比較高。

       光伏電站并網點需要監測并網點電能質量，包括電源頻率、電源電壓的大小、電壓不平衡、電壓驟升/驟降/中斷、快速電壓變化、諧波/間諧波THD、閃變等，需要安裝單獨的電能質量監測裝置。

      上圖為一個1MW分布式光伏電站的示意圖，光伏陣列接入光伏匯流箱，經過直流柜匯流后接入集中式逆變器(直流柜根據情況可不設置)，經過升壓變壓器升壓至10kV或35kV后并入中壓電網。由于光伏電站裝機容量比較大，涉及到的保護和測控設備比較多，主要如下表：

6、結束語

      針對目前的光伏發電監控系統在大規模光伏電站并網監控方面存在的不足，本文提出了基于云平臺的光伏發電系統監控系統平臺。通過分析現有的監控系統采用的技術架構，充分利用云技術的集中處理和存儲擴展性，降低了硬件設施的經濟成本，有利于后期系統的維護等特點。通過分析光伏監控系統數據采集模塊、研究光伏電站逆變器通訊、環境監測儀、數據集中器等硬件結構以及通信連接方法，設計了基于Modbus通信協議的上位機與各設備間的主從控制系統，達到將采集模塊采集的數據上傳至上位機以及云平臺的目的。基于實際光伏電站的應用驗證了系統的可行性與可靠性

參考文獻

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